KR101030889B1 - Optical deflector and optical instrument using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 광 편향기는 지지부재와, 광 편향 소자를 갖는 제1 가동소자와, 적어도 하나의 제2 가동소자와, 진동축을 중심으로 한 비틀림 진동을 위해 제1 및 제2 가동 소자를 지지하도록 구성된 적어도 하나의 제1 비틀림 스프링과, 진동축을 중심으로 한 비틀림 진동을 위해 제2 가동소자 및 지지부재를 지지하도록 구성되는 적어도 하나의 제2 비틀림 스프링과, 제1 및 제2 가동소자 중 적어도 하나에 구동력을 인가하도록 구성된 구동 시스템을 포함하며, 진동축에 대한 상기 제2 가동소자의 관성 모멘트는 진동축에 대한 제1 가동소자의 관성 모멘트보다 크며, 진동축에 수직한 방향으로 제2 가동소자의 길이는 진동축에 수직한 방향으로 제1 가동소자의 길이 이하이다.The optical deflector of the present invention is configured to support the first and second movable elements for a torsional vibration about the oscillation axis with a support member, a first movable element having an optical deflection element, at least one second movable element, and a vibration axis. At least one first torsion spring, at least one second torsion spring configured to support the second movable element and the support member for torsional vibration about an oscillation axis, and at least one of the first and second movable element And a drive system configured to apply a driving force, the moment of inertia of the second movable element about the oscillation axis being greater than the moment of inertia of the first movable element about the oscillation axis, the direction of the second movable element being perpendicular to the oscillation axis. The length is equal to or less than the length of the first movable element in the direction perpendicular to the vibration axis.
광 편향기, 가동소자, 비틀림 진동, 관성 모멘트, 진동축 Optical deflector, movable element, torsional vibration, moment of inertia, vibration axis
Description
도1a는 본 발명의 실시 형태 및 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 편향기의 평면도.1A is a plan view of an optical deflector according to an embodiment of the present invention and a first example of the present invention.
도1b는 도1a의 A-B선을 따라 취한 도1a의 광 편향기의 단면도.FIG. 1B is a cross sectional view of the optical deflector of FIG. 1A taken along line A-B in FIG. 1A; FIG.
도2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 편향기에 의해 주사 편향된 광의 변위각을 설명하기 위한 그래프.Fig. 2 is a graph for explaining the displacement angle of the scan deflected light by the optical deflector according to the first embodiment of the present invention.
도3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 편향기에 의해 주사 편향된 광의 각속도를 설명하기 위한 그래프.Fig. 3 is a graph for explaining the angular velocity of the scan deflected light by the optical deflector according to the first embodiment of the present invention.
도4a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 편향기의 평면도.4A is a plan view of an optical deflector according to a second embodiment of the present invention.
도4b는 도4a의 A-B선을 따라 취한 도4a의 광 편향기의 단면도.4B is a cross sectional view of the optical deflector of FIG. 4A taken along line A-B in FIG. 4A;
도5a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광 편향기의 평면도.5A is a plan view of an optical deflector according to a third embodiment of the present invention.
도5b는 도5a의 A-B선을 따라 취한 도5a의 광 편향기의 단면도.FIG. 5B is a sectional view of the optical deflector of FIG. 5A taken along line A-B in FIG. 5A.
도6a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광 편향기의 평면도.6A is a plan view of an optical deflector according to a fourth embodiment of the present invention.
도6b는 도6a의 A-B선을 따라 취한 도6a의 광 편향기의 단면도.FIG. 6B is a cross sectional view of the optical deflector of FIG. 6A taken along line A-B in FIG. 6A;
도7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 광학기구를 설명하기 위한 사시도.7 is a perspective view for explaining an optical apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
도8은 종래기술의 액츄에이터를 설명하기 위한 평면도.8 is a plan view for explaining the actuator of the prior art.
도9는 종래기술의 진동 장치를 설명하기 위한 평면도.9 is a plan view for explaining the vibration device of the prior art.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
101: 지지부재101: support member
102: 제1 가동소자102: first movable element
103: 본체103: main body
104: 진동축104: vibration axis
105, 106: 비틀림 스프링105, 106: torsion spring
107: 반사면107: reflective surface
108: 자석108: magnet
109: 질량 조절부재109: mass adjusting member
120: 제2 가동소자120: second movable element
112: 이격자112: spacer
111: 고정 기판111: fixed substrate
본 발명은 광 편향기와, 예컨대 화상 형성 장치 또는 디스플레이 장치와 같이 이런 광 편향기를 이용하는 광학기구에 관한 것이다. 본 발명의 광 편향기는 화상이 광의 편향 주사에 기반하여 투사되는 투사 디스플레이 또는 예컨대, 레이저빔 프린터나 디지털 복사기 등과 같이 전자 사진식 프로세스를 구비한 화상 형성 장치에 적절히 이용 가능하다.The present invention relates to optical deflectors and optical instruments that utilize such optical deflectors such as, for example, image forming apparatuses or display apparatuses. The optical deflector of the present invention can be suitably used for a projection display in which an image is projected based on a deflection scanning of light or an image forming apparatus having an electrophotographic process such as, for example, a laser beam printer or a digital copier.
이런 광 편향기로서 반사면을 갖는 가동소자가 정현 진동되어 광을 편향시키는 다양한 유형의 광 주사 시스템이나 광 주사 장치가 제안되고 있다. 공진 현상을 기반으로 정현 진동을 수행하는 광 편향기를 이용한 광 주사 시스템은 회전식 다각형 거울(다각 거울)을 이용하는 주사 광학 시스템에 비해 다음과 같은 장점이 있다. 즉, 광 편향기는 아주 소형화될 수 있고 소비전력이 낮으며, 특히 Si 단결정으로 제조되어 반도체 공정을 거쳐 생산되는 광 편향기는 이론적으로 금속 피로를 겪지 않고 내구성이 우수하다.As such an optical deflector, various types of optical scanning systems or optical scanning devices have been proposed in which a movable element having a reflective surface is sine oscillated to deflect light. An optical scanning system using an optical deflector that performs sinusoidal vibration based on a resonance phenomenon has the following advantages over a scanning optical system using a rotating polygon mirror (polygon mirror). That is, the optical deflector can be miniaturized very low and power consumption is low. In particular, the optical deflector manufactured by Si single crystal and produced through a semiconductor process has excellent durability without theoretically suffering from metal fatigue.
공진 현상을 이용하는 광 편향기의 일 예로는 도8에 도시된 액츄에이터가 있다(특허문헌 1 참조).An example of the optical deflector using the resonance phenomenon is the actuator shown in FIG. 8 (see Patent Document 1).
도8에서, 일반적으로 100으로 지시된 액츄에이터는 제1 질량부재(1)와, 제2 질량부재(2)와 한 쌍의 지지부재(3)를 포함한다. 이들 구성소자는 예컨대, 실리콘으로 제조된다. 액츄에이터의 제2 질량부재(2)의 표면에는 광 반사소자(21)가 마련된다. 도8에 도시된 바와 같이, 액츄에이터(100)는 제1 질량부재(1)와 지지부재(3)를 결합하고 지지부재(3)에 대한 제1 질량부재의 피복 동작을 위한 한 쌍의 제1 탄성 결합부재(4)를 갖는다. 또한, 액츄에이터는 제1 질량부재(1)와 제2 질량부재(2)를 결합하고 제1 질량부재(1)에 대한 제2 질량부재(2)의 피복 동작을 위한 한 쌍의 제2 탄성 결합부재(5)를 갖는다. 6은 대향하는 기판을 지시한다.In FIG. 8, the actuator, generally designated 100, comprises a
상술한 바와 같은 2자유도 진동형 액츄에이터는, 제1 및 제2 질량부재(1, 2)의 진폭이 큰 두 개의 공진 주파수(고유 진동모드)와 제1 질량부재(1)의 진폭이 거 의 0인 한 개의 반공진 주파수(고유 진동모드)를 갖는다. 상술한 구조의 액츄에이터에서는 구동을 위해 두 주파수 중 낮은 것을 이용함으로써 제1 질량부재(1)의 진폭을 작게 유지하면서 제2 질량부재(2)의 변위각(회전각)을 크게 할 수 있다.As described above, the two degree of freedom vibration actuator includes two resonance frequencies (intrinsic vibration mode) in which the amplitudes of the first and second
공진 현상을 이용한 광 편향기 중에는 비틀림 진동방향으로 둘 이상의 고유 진동모드를 동시에 여기시켜 정현파 광 주사와 다른 광 주사를 수행하는 방법을 이용하는 것도 있다(특허문헌 2).Some optical deflectors using the resonance phenomenon use a method of simultaneously exciting two or more natural vibration modes in the torsional vibration direction to perform sinusoidal light scanning and other light scanning (Patent Document 2).
도9는 이런 광 편향기의 평면도이다. 도9에 도시된 바와 같이, 평판형 가동소자(1001)가 그 상부 및 바닥부에서 두 개의 비틀림 스프링(1011a, 1011b)에 의해 지지된다. 프레임 형상의 가동소자(1002)는 그 안쪽으로 이들 비틀림 스프링(1011a, 1011b)을 지지하는 반면, 도9에 도시된 바와 같이 그 상부 및 바닥부는 두 개의 비틀림 스프링(1012a, 1012b)에 의해 지지된다. 프레임 형상의 지지 프레임(1021)은 안쪽에서 비틀림 스프링(1012a, 1012b)을 지지한다. 가동소자(1001, 1002)와 비틀림 스프링(1011, 1012)은 주파수비가 1:2인 두 개의 고유 진동모드를 갖는다. 광 편향기는 이들 두 진동모드를 동시에 여기시킴으로써 톱니파형 진동을 통해 구동되며 각속도 변화가 작은 광 주사가 마련된다. 1000은 플레이트 부재를 지시하고 1041은 영구자석을 지시한다.9 is a plan view of such an optical deflector. As shown in Fig. 9, the flat plate
[특허문헌][Patent Documents]
1: 일본 특허출원 공개 제2005-099760호이며 미국 특허 출원 제2005/088715호(A1)에 대응1: Japanese Patent Application Publication No. 2005-099760 and corresponds to US Patent Application No. 2005/088715 (A1)
2: 일본 특허출원 공개 제2005-208578호이며 미국 특허 출원 제2006/152785 호(A1)에 대응2: Japanese Patent Application Publication No. 2005-208578 and corresponds to US Patent Application No. 2006/152785 (A1)
레이저 빔 프린터 등과 같은 전자사진식 프로세스에서는 감광부재가 레이저 빔에 의해 주사되어 그 위에 화상을 형성한다. 복수의 가동소자와 복수의 비틀림 스프링을 갖는 광 편향기가 큰 변위각으로 광 주사를 수행하도록 이용되는 경우, 복수의 고유 진동모드가 원하는 관계로 배치되고 또한 변위각이 안정적인 것이 바람직하다. 그러나, 복수의 가동소자와 복수의 비틀림 스프링을 갖는 광 편향기에는 가공 정밀도 분산 등으로 인해 복수의 고유 진동모드를 원하는 관계로 설정하기가 용이하지 않다. 또한, 광 편향기의 변위각이 큰 경우, 공기 저항 등으로 인해 변위각을 안정적으로 유지하기가 용이하지 않다.In an electrophotographic process such as a laser beam printer, a photosensitive member is scanned by a laser beam to form an image thereon. When an optical deflector having a plurality of movable elements and a plurality of torsion springs is used to perform light scanning with a large displacement angle, it is preferable that the plurality of natural vibration modes are arranged in a desired relationship and the displacement angle is stable. However, in the optical deflector having a plurality of movable elements and a plurality of torsion springs, it is not easy to set a plurality of natural vibration modes in a desired relationship due to dispersion of processing accuracy. In addition, when the displacement angle of the optical deflector is large, it is not easy to maintain the displacement angle stably due to air resistance or the like.
본 발명의 일 태양에 따르면, 광 편향기는, 지지부재와, 광 편향 소자를 갖는 제1 가동소자와, 적어도 하나의 제2 가동소자와, 진동축을 중심으로 한 비틀림 진동을 위해 상기 제1 및 제2 가동 소자를 지지하도록 구성된 적어도 하나의 제1 비틀림 스프링과, 진동축을 중심으로 한 비틀림 진동을 위해 상기 제2 가동소자 및 상기 지지부재를 지지하도록 구성되는 적어도 하나의 제2 비틀림 스프링과, 상기 제1 및 제2 가동소자 중 적어도 하나에 구동력을 인가하도록 구성된 구동 시스템을 포함하며, 상기 진동축에 대한(즉, 그 둘레의) 상기 제2 가동소자의 관성 모멘트는 상기 진동축에 대한 상기 제1 가동소자의 관성 모멘트보다 크며, 진동축에 수직한 방향으로 상기 제2 가동소자의 길이는 진동축에 수직한 방향으로 상기 제1 가동소자의 길이 이하이다.According to one aspect of the present invention, an optical deflector comprises: a first movable element having a support member, an optical deflecting element, at least one second movable element, and a first oscillation element for torsional vibration about an oscillation axis; At least one first torsion spring configured to support a second movable element, at least one second torsion spring configured to support the second movable element and the support member for torsional vibration about an oscillation axis; And a drive system configured to apply a driving force to at least one of the first and second movable elements, wherein the moment of inertia of the second movable element relative to (ie, around) the oscillation axis is dependent on the first axis relative to the oscillation axis. It is larger than the moment of inertia of the movable element, and the length of the second movable element in the direction perpendicular to the vibration axis is less than or equal to the length of the first movable element in the direction perpendicular to the vibration axis.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 광학기구는, 광원과, 상술한 광 편향기와, 감광부재 및 화상 표시부재 중 하나를 포함하며, 상기 광 편향기는 상기 광원에서 나온 광을 편향시키고 편향된 광의 적어도 일부를 상기 감광부재나 화상 표시부재로 진행시키도록 구성된다.According to another aspect of the present invention, an optical apparatus includes a light source, the light deflector described above, and a photosensitive member and an image display member, wherein the light deflector deflects light from the light source and at least a portion of the deflected light. It is configured to advance to the photosensitive member or the image display member.
본 발명에 따르면, 제2 가동소자의 관성 모멘트 또는 진동축에 수직한 방향으로 제2 가동소자의 길이는 상술한 바와 같이 설정된다. 이런 구조는 광 편향기가 갖는 복수의 고유 진동모드가 원하는 관계로 용이하게 조절되고, 나아가 변위각이 비교적 큰 경우에도 그 변위각이 안정적으로 유지되는 광 편향기를 달성한다. 이런 광 편향기를 이용하는 광학기구에는 본 발명에 의해 크지만 안정적이 변위각이 달성된다.According to the present invention, the length of the second movable element in the direction perpendicular to the moment of inertia or oscillation axis of the second movable element is set as described above. This structure achieves an optical deflector in which a plurality of natural vibration modes of the optical deflector are easily adjusted in a desired relationship, and furthermore, the displacement angle is stably maintained even when the displacement angle is relatively large. In the optical apparatus using such an optical deflector, a large but stable displacement angle is achieved by the present invention.
본 발명의 이러한 그리고 그 밖의 목적, 특징 및 장점은 첨부도면과 함께 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 다음의 설명을 고려하여 보다 자명하게 될 것이다.These and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent upon consideration of the following description of the preferred embodiments of the present invention in conjunction with the accompanying drawings.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도1a 및 도1b를 참조하여 본 발명에 따르는 광 편향기의 일 실시예를 설명한다. 도1a는 본 실시예에 따르는 광 편향기의 평면도이고 도1b는 도1a의 A-B 선을 따라 취한 단면도이다. 본 실시예의 광 편향기는 지지부재(101)와, 광 편향 소자일 수 있는 반사면(107)을 갖는 제1 가동소자(102)와, 제2 가동소자(120)와, 진동축(104)을 중심으로 지지부재(101)와 제1 가동소자(102)와 제2 가동소자(120)를 탄성 지지하기 위한 비틀림 스프링(105, 106)을 포함할 수 있다. 제2 가동소자(120)는 본체(103)와, 본체의 상부면에 배치되어 질량을 조절하기 위한 금속 등과 같은 질량 조절부재(109)와, 본체의 바닥에 마련되는 자석(경질 자성체)(108)을 포함할 수 있다. 제1 가동소자(102)는 진동축(104)을 중심으로 한 비틀림 진동을 위해 제1 비틀림 스프링(105)을 거쳐 제2 가동소자(120)에 의해 탄성 지지될 수 있다. 제2 가동소자(120)는 진동축(104)을 중심으로 한 비틀림 진동을 위해 제2 비틀림 스프링(106)을 거쳐 지지부재(101)에 의해 탄성 지지될 수 있다. 지지부재(101)는 이격자(112)를 거쳐 고정 기판(111)에 고정될 수 있다.1A and 1B, an embodiment of an optical deflector according to the present invention will be described. FIG. 1A is a plan view of the optical deflector according to the present embodiment, and FIG. 1B is a sectional view taken along the line A-B of FIG. 1A. The optical deflector of the present embodiment includes a
본 실시예의 광 편향기는 제1 및 제2 가동소자(102, 120)를 구동하기 위한 구동부와 구동부를 제어하기 위한 구동 제어부를 추가로 포함할 수 있다. 통상적으로, 구동부는 제1 및 제2 가동소자(102, 120) 중 적어도 하나에 토크를 인가하여 이들을 공진 구동하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 여기에서, 구동부는 제1 및 제2 가동소자(102, 120)를 공진 구동하기 위해 제2 가동소자(120)에 토크를 인가하기 위한 코일(110)과 자석(108)을 포함할 수 있다. 자석(108)은 제2 가동소자(120)에 배치될 수 있으며 코일(110)은 기판(110) 상에 장착될 수 있다. 구동 제어부는 예컨대, 구동부의 코일(110)로 구동 신호에 따른 구동 전류를 공급하기 위한 구동 제어회로일 수 있다. 구동부는 본 예에서의 전자기적 방법을 이용하거나, 예컨대 정전 방법이나 압전 방법을 이용할 수 있다.The optical deflector of the present embodiment may further include a driving unit for driving the first and second
본 실시예의 광 편향기는 주파수가 서로 다른 두 개의 고유 진동모드를 가질 수 있다. 이들 두 개의 고유 진동모드(1차 고유 진동모드 및 2차 고유 진동모드) 는 구동 제어부와 구동부(108, 110)에 의해 동시에 또는 개별적으로 여기될 수 있다. 이렇게 함으로써, 제1 및 제2 가동소자(102, 120)는 지지부재(101)에 대해 비교적 큰 변위각으로 진동축(104)을 중심으로 비틀림 공진 구동된다. 이들 두 개의 비틀림 고유 진동모드가 동시에 여기되는 경우, 본 실시예의 광 편향기는 중첩된 정현파에 기반한 진동으로 구동된다.The optical deflector of the present embodiment may have two natural vibration modes having different frequencies. These two natural vibration modes (primary natural vibration mode and secondary natural vibration mode) may be excited simultaneously or separately by the drive control unit and the
본 실시예의 광 편향기는 진동축(104)에 대한 제2 가동소자(120)의 관성 모멘트(I2)를 진동축(104)에 대한 제1 가동소자(102)의 관성 모멘트(I1)보다 크게 할 수 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 진동축(104)에 수직한 방향으로 제2 가동소자(120)의 길이(122)는 진동축(104)에 수직한 방향으로 제1 가동소자(102)의 길이(121) 이하가 될 수 있다. 제1 또는 제2 가동소자(102 또는 120)의 형상이 직사각형(정사각형 포함)이 아닌 경우, 진동축(104)에 수직한 방향의 길이는 진동축(104)에 수직하고 진동축(104)에서 가장 멀리 떨어진 지점까지의 길이를 지칭할 수 있다.The optical deflector of this embodiment has a moment of inertia I 2 of the second
이하, 본 실시예의 기능과 작용을 설명한다. 본 실시예에 따르는 광 편향기에서, 진동축(104)에 대한 제2 가동소자(120)[지지부재(101)에 연결되었을 때]의 관성 모멘트(I2)는 진동축(104)에 대한 제1 가동소자(102)[제2 가동소자(120)에 연결되었을 때]의 관성 모멘트(I1)보다 크게 될 수 있다. 이런 구조는 진동의 두 고유 진동모드를 용이하게 조절할 수 있도록 함으로써 이들 고유 진동모드를 원하는 관계로 둘 수 있다.Hereinafter, the functions and operations of the present embodiment will be described. In the optical deflector according to the present embodiment, the moment of inertia I 2 of the second movable element 120 (when connected to the support member 101) with respect to the
예컨대, 제1 및 제2 가동소자(102, 120)의 관성 모멘트가 I1 > I2의 관계를 갖는 경우, 관성 모멘트(I1)의 변경은 두 개의 고유 진동모드 모두를 크게 변경시킨다. 또한, 관성 모멘트(I2)의 변경도 마찬가지로 두 개의 고유 진동모드 모두를 크게 변경하는 결과를 가져온다. 따라서, 두 개의 비틀림 고유 진동모드를 개별적으로 조절하는 것이 아주 어렵다.For example, when the moments of inertia of the first and second
한편, 제1 및 제2 가동소자(102, 120)의 관성 모멘트가 I1 < I2의 관계를 갖는 경우, 광 편향기의 1차 고유 진동모드와 2차 고유 진동모드 중 하나는 주로 관성 모멘트(I1 또는 I2)를 변경함으로써 변경될 수 있다. 바람직하게는, I2가 I1의 네 배 이상이어야 한다.On the other hand, when the moments of inertia of the first and second
따라서, 두 개의 비틀림 고유 진동모드가 광 편향기의 제조시 야기되는 형상의 분산으로 인해 원하는 관계를 만족시키지 않더라도, 이들 두 개의 비틀림 고유 진동모드는 예컨대, 관성 모멘트(I1, I2) 중 적어도 하나를 조절함으로써 원하는 주파수 관계로 조절될 수 있다.Thus, even though the two torsional natural vibration modes do not satisfy the desired relationship due to the dispersion of the shape caused in the manufacture of the optical deflector, these two torsional natural vibration modes are for example at least one of the moments of inertia I 1 , I 2 . By adjusting one can be adjusted to the desired frequency relationship.
고유 진동모드의 주파수(f1, f2)가 제1 및 제2 가동소자를 포함하는 진동 시스템의 공정 공차와 같은 오차 인자로 인해 목표 주파수에서 편향되는 경우에도, 이들 주파수(f1, f2)는 상술한 관성 모멘트의 관계에 기반하여 적합하게 조절될 수 있다. 이하, 상세히 설명한다.Even if the frequencies f 1 and f 2 of the natural vibration mode are deflected at the target frequency due to error factors such as process tolerances of the vibration system including the first and second movable elements, these frequencies f 1 , f 2 ) May be appropriately adjusted based on the relationship of the moment of inertia described above. It will be described in detail below.
상술한 관성 모멘트의 관계를 만족하는 본 실시예의 광 편향기에서, 진동 축(104)을 중심으로 한 1차 및 2차 고유 진동모드의 주파수(f1, f2)는 아래의 수학식 1에 주어진 관계로 근사되는데, 본 수학식에서 I1은 제1 가동소자(102)의 관성 모멘트이고 I2는 제2 가동소자(120)의 관성 모멘트이고 k1과 k2는 각각 쌍을 이루는 제1 및 제2 비틀림 스프링(105, 106)의 스프링 상수이다. 또한, 우변의 복부호와 관련하여, 음의 부호는 f1의 경우에 선택되고 양의 부호는 f2의 경우에 선택된다In the optical deflector of the present embodiment that satisfies the above-described inertia moment, the frequencies f 1 and f 2 of the first and second natural vibration modes centering on the
[수학식 1][Equation 1]
수학식 1에서, I1과 I2의 차이가 크지 않은 경우, 주파수(f1, f2) 모두는 I1과 I2의 증감에 따라 변하게 된다. 따라서, 주파수(f1, f2)를 각각 원하는 주파수로 조절하기 위해, I1과 I2의 증감량은 확대되어야 하거나, 또는 주파수를 원하는 값으로 조절하는 것이 불가능하게 된다.In
한편, 수학식 1에서, I1 << I2(예컨대, I2가 I1의 4배 이상)인 경우, 두 가동소자의 관성 모멘트(I1, I2)를 조절함으로써 얻어지는 주파수(f1, f2)의 변화는 주파수(f1)가 I1의 증감에 따라 변하고 주파수(f2)가 I2의 증감에 따라 변하는 반면 I1의 증감은 주파수(f2)를 거의 변화시키지 않고 I2의 증감은 주파수(f1)를 거의 변화시키지 않는 특징을 갖는다.Meanwhile, in
상기 수학식 1이 도4에 도시된 바와 같이 두 개의 제2 가동소자(220a, 220b)를 갖는 진동 시스템에 적용될 때, 이들 두 개의 제2 가동소자(220a, 220b)의 관성 모멘트의 합이 제2 가동소자에 대한 관성 모멘트(I2)로 이용될 수 있다. 또한, 제1 비틀림 스프링의 스프링 상수(K1)와 관련하여, 제1 비틀림 스프링(205a, 205b)의 스프링 상수의 합이 이용될 수 있다. 마찬가지로, 제2 비틀림 스프링의 스프링 상수(K2)와 관련하여, 제2 비틀림 스프링(206a, 206b)의 스프링 상수의 합이 이용될 수 있다.When
본 실시예의 진동 시스템은 상술한 바와 같은 진동 시스템의 특징을 고려하여 영구자석(108)과 질량 조절부재(109)가 단지 제2 가동소자(120)에만 마련되도록 배열됨으로써, 향상된 주사 재생능을 보장하면서 I1 << I2 관계를 만족시킬 수 있다. 특히, 제2 가동소자(120)에만 자석(108)을 설정하면 자석을 토크 생성원으로 이용하면서 자석의 질량이 I1 << I2 관계를 보장하기 위해 관성 모멘트로 이용될 수 있도록 한다.The vibration system of the present embodiment is arranged such that the
본 실시예의 진동 시스템에서, 제1 가동소자(102)와 질량 조절부재(109) 중 적어도 하나는 적절한 양의 I1와 I2를 감소시키도록 부분적으로 제거됨으로써, 주파수(f1, f2)는 원하는 관계(즉, 후술하는 수학식 2 또는 수학식 4에 의해 정의된 관계)를 만족시키도록 조절된다. 따라서, 고유 진동모드의 주파수가 원하는 값에서 편향되더라도, 이는 적절히 일치될 수 있다. 즉, 이런 경우, 구동 주파수를 소인하여 진동 시스템의 진폭을 측정함으로써, 그 표적값에서 벗어난 고유 진동모드의 주파수(f1, f2)의 여하한 편향도 판단될 수 있다. 필수 조절량(σI1, σI2)은 이렇게 측정된 값을 기반으로 수학식 1에 따라 계산될 수 있다. 그 후, 주파수(f1, f2)는 예컨대 레이저 빔을 이용하여 제1 가동소자(103)와 질량 조절부재(109) 중 적어도 하나를 부분적으로 제거함으로써 원하는 바에 따라 정확히 조절될 수 있다.In the vibration system of the present embodiment, at least one of the first
특히, 조절량(σI2)과 관련하여, 제2 가동소자(120)에 관성 모멘트를 제공하는 기능을 자석(108)과 질량 조절부재(109)가 공유함으로써, 레이저 빔 가공에 의해 제거될 체적당 조절량(σI2)은 제2 가동소자(120) 자체의 일부가 제거되는 경우에 비해 확대된다. 따라서, 레이저 빔 가공을 이용한 고유 진동모드의 주파수 조절은 고속으로 이루어질 수 있으며 저렴한 제조가 보장된다. 또한, 제거 체적당 조절량(σI2)은 크기 때문에, 주파수 조절 가능 범위는 제2 가동소자(120)의 폭이 작은 경우에도 크게 될 수 있다. 이런 특징들로 인해, 주사 안정성이 향상될 뿐 아니라 진동 시스템도 소형화될 수 있다. 따라서, 장치가 반도체 제조 방법에 따라 단결정 실리콘 기판으로 제조될 경우, 제조비는 더욱 저렴하게 된다.In particular, the
한편, 진동축(104)에 수직한 방향으로 제2 가동소자(120)의 길이(122)를 진동축(104)에 수직한 방향으로 제1 가동소자(102)의 길이(121)보다 크게 할 경우, 제2 가동소자(120)에 작용하는 공기 저항은 커진다. 이를 고려하여, 바람직하게는, 진동축(104)에 수직한 방향으로 제2 가동소자(120)의 길이를 진동축(104)에 수 직한 방향으로 제1 가동소자(102)의 길이보다 짧게 할 수 있다. 이런 구조는 공기 저항을 감소시키고 변위각 안정성을 향상시킨다. 따라서, 광 편향기가 큰 변위각으로 구동되더라도, 우수한 변위각 안정성이 보장된다.On the other hand, the
또한, 제2 가동소자(120)의 관성 모멘트를 크게 만듦으로써, 고유 진동모드의 진폭 증폭율(공진 세밀도 Q값)이 향상될 수 있다. 변위각 안정성은 진폭 증폭율을 증가시킴으로써 진동 에너지의 분산을 감소시키도록 관상 모멘트를 증대시킴으로써 향상된다. 따라서, 광 편향기가 큰 변위각으로 구동되더라도, 우수한 변위각 안정성이 보장된다.In addition, by making the moment of inertia of the second
본 실시예의 광 편향기에서는, 진동축(104)에 평행한 방향으로 제2 가동소자(120)의 길이(122)를 진동축(104)에 평행한 방향으로 제1 가동소자(102)의 길이 이하로 할 수 있다. 이런 구조로 인해, 비틀림 진동 동안 제2 가동소자(120)의 공기 저항은 더욱 감소되고, 변위각 안정성은 향상된다.In the optical deflector of this embodiment, the
또한, 본 실시예의 광 편향기에서, 제2 가동소자(120)는 그 두께가 제1 가동소자(102)의 두께보다 클 수 있다. 이런 구조로 인해, 제1 및 제2 가동소자(102, 120)의 관성 모멘트는 I1 < I2 관계를 만족시키도록 용이하게 설정될 수 있다.In addition, in the optical deflector of the present embodiment, the thickness of the second
본 실시예의 광 편향기는 지지부재(101)가 복수의 비틀림 스프링 중 하나에 연결되는 구조를 가질 수 있다. 이런 구조로 인해, 지지부재(101)가 고정될 때 생성되는 응력이나 임의의 열응력으로 인해 발생하는 예기치 않은 힘으로 인해 지지부재(101)의 고정 지점이 변형되더라도, 제1 및 제2 가동소자(102, 120)에는 응력 이 거의 작용하지 않게 된다. 따라서, 반사면(107)의 평면도(표면 정밀도) 저하가 방지된다. 특히, 제2 가동소자(120)가 단일 소자로 구성되는 경우, 공기 저항은 아주 작기 때문에, 변위각 안정성은 향상되고 이와 더불어 광 편향기의 소형화가 달성된다.The optical deflector of this embodiment may have a structure in which the
본 실시예의 광 편향기는 제1 및 제2 가동소자(102, 120)가 복수의 비틀림 스프링의 양단에서 지지부재에 연결되는 구조를 가질 수 있다. 이런 구조를 가짐으로써, 양단에서의 지지(각각의 비틀림 스프링은 두 지점에 고정됨)로 인해, 비틀림 스프링 이외의 불필요 진동은 비틀림 진동 동안 보다 확실히 방지될 수 있다. 특히, 광 편향기에 비틀림 진동 동안 불필요 진동을 쉽게 일으키는 큰 관성 모멘트를 갖는 가동소자가 설치된 경우에도, 이런 불필요 진동의 발생은 적합하게 방지된다.The optical deflector of the present embodiment may have a structure in which the first and second
본 실시예의 광 편향기는 제1 가동소자(102)가 단일 구성요소나 단일 재료에 의해 마련되는 구조를 가질 수 있다. 이런 구조에서, 반사면(107)이 형성된 제1 가동소자(102)는 단일 부품으로 제조되기 때문에, 반사면(107)의 변형이 확실히 방지된다.The optical deflector of this embodiment may have a structure in which the first
본 실시예의 광 편향기는 제2 가동소자(120)가 상술한 바와 같이 복수의 구성요소에 의해 마련되는 구조를 가질 수 있다. 이런 구조에서, 제2 가동소자(120)는 관성 모멘트가 큰 구성요소들[예컨대, 질량 조절부재(109) 또는 자석(108)]을 포함할 수 있기 때문에, 제2 가동소자(120)의 관성 모멘트를 크게 하는 것이 용이 할 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 가동소자(102, 120)의 관성 모멘트는 I1 < I2 관계를 만족시키도록 용이하게 설정될 수 있다(후술하는 제1 실시예 참조).The optical deflector of the present embodiment may have a structure in which the second
본 실시예의 광 편향기는 제2 가동소자(120)의 상술한 복수의 구성요소들이 그 사이에 진동축(104)을 개재한 상태로 배치되는 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 도1a 및 도1b에 도시된 바와 같이, 금속부재와 같은 구성요소들이 제2 가동소자(120)의 편평 표면부에 수직한 방향을 따라 존재하고 그 사이에 진동축(104)을 개재한 위치에 배치될 수 있다. 이 경우, 제2 가동소자(120)의 관성 모멘트를 아주 크게 할 수 있다. 또는, 금속부재와 같은 구성요소들이 제2 가동소자의 편평 표면부에 평행한 방향을 따라 존재하고 그 사이에 진동축(104)을 개재한 위치에 배치될 수 있다. 이 경우에도, 제2 가동소자(120)의 관성 모멘트를 아주 크게 할 수 있다. 따라서, 이런 구조에서, 제2 가동소자의 관성 모멘트(I2)는 보다 용이하게 크게 될 수 있다.The optical deflector according to the present exemplary embodiment may have a structure in which the above-described plurality of components of the second
본 실시예의 광 편향기는 제2 가동소자(120)의 무게중심이 진동축(104)과 정렬되는 구조를 가질 수 있다. 이런 구조에서는 비틀림 진동 동안 비틀림 진동 이외의 불필요 진동이 확실히 방지될 수 있다(후술하는 제3 실시예 참조). 특히, 광 편향기가 비틀림 진동 동안 불필요 진동을 쉽게 일으키는 큰 관성 모멘트를 갖는 가동소자를 갖더라도, 이런 불필요 진동이 제대로 방지된다.The optical deflector of the present embodiment may have a structure in which the center of gravity of the second
본 실시예의 광 편향기는 상술한 복수의 구성요소 중 적어도 하나가 금속으로 제조된 구조를 가질 수 있다. 이런 구조에서, 제2 가동소자(120)는 비중이 큰 금속을 포함하기 때문에, 제2 가동소자(120)의 관성 모멘트는 용이하게 크게 될 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 가동소자(102, 120)의 관성 모멘트는 I1 < I2 관계를 만족시키도록 용이하게 설정될 수 있다.The optical deflector of the present embodiment may have a structure in which at least one of the aforementioned components is made of metal. In this structure, since the second
본 실시예의 광 편향기는 상술한 복수의 구성요소 중 적어도 하나가 상술한 바와 같은 경질 자성체(108)인 구조를 가질 수 있다. 이런 구조에서, 한편으로 제2 가동소자(120)의 관성 모멘트를 크게 할 수 있으며, 다른 한편으로 구동부가 전자기력을 이용하는 경우, 작은 전류로도 큰 구동력을 생성할 수 있다. 따라서, 소비전력이 작아진다.The optical deflector of the present embodiment may have a structure in which at least one of the aforementioned components is the hard
본 실시예의 광 편향기는 제1 가동소자, 제2 가동소자, 비틀림 스프링 및 지지부재가 단결정 실리콘으로 제조되는 일체형 구조를 가질 수 있다. 이런 경우, 이들 구성요소는 반도체 제조공정을 이용하는 미세가공법에 의해 일괄 가공으로 제조될 수있다. 따라서, 광 편향기는 아주 높은 가공 정밀도로 제조될 수 있다.The optical deflector of this embodiment may have an integral structure in which the first movable element, the second movable element, the torsion spring and the support member are made of single crystal silicon. In such a case, these components can be manufactured in batch processing by a micromachining method using a semiconductor manufacturing process. Thus, the optical deflector can be manufactured with very high processing precision.
본 실시예의 광 편향기는 주파수가 서로 다른 적어도 두 개의 고유 진동모드를 가질 수 있으며, 제1 가동소자(102)는 이들 적어도 두 개의 고유 진동모드에 따라 진동축(104)을 중심으로 동시에 비틀림 진동될 수 있다. 이런 구조에서, 광 편향기는 중첩 정현파의 진동에 기반하여 구동된다.The optical deflector of the present embodiment may have at least two natural vibration modes having different frequencies, and the first
본 실시예의 광 편향기는 두 개의 서로 다른 고유 진동모드 중 하나의 주파수가 다른 고유 진동모드의 주파수의 대략 두 배 또는 세 배인 구조를 가질 수 있다. 이런 경우, 제2 가동소자의 관성 모멘트(I2)는 제1 가동소자의 관성 모멘 트(I1)의 1.8배 이상이어야 한다. 이로 인해, 톱니파형(또는 삼각파형) 진동으로 제1 가동소자를 구동시킬 수 있게 된다(후술하는 제1 실시예 참조).The optical deflector of this embodiment may have a structure in which one frequency of two different natural vibration modes is approximately twice or three times the frequency of the other natural vibration modes. In this case, the moment of inertia of the second movable element (I 2) is not to be less than 1.8 times of the moments of inertia (I 1) of the first movable element. As a result, the first movable element can be driven by sawtooth wave (or triangular wave) vibration (see the first embodiment described later).
본 실시예의 광 편향기는, 진동축(104)에 수직한 평면을 한정했을 때, 제1 및 제2 가동소자 중 적어도 하나가 복수의 위치에서 그 평면과 교차하는 형상을 갖는 구조를 가질 수 있다(후술하는 제3 실시예 참조). 이런 구조에서는, 가동소자가 비교적 작은 면적을 갖더라도, 그 관성 모멘트를 크게 할 수 있다. 또한, 질량의 조절이 용이하며, 따라서 관성 모멘트가 비교적 용이하게 조절될 수 있다.The optical deflector of this embodiment may have a structure in which at least one of the first and second movable elements intersects the plane at a plurality of positions when defining a plane perpendicular to the vibration axis 104 ( See the third embodiment described later). In this structure, even if the movable element has a relatively small area, the moment of inertia can be increased. In addition, the adjustment of the mass is easy, so that the moment of inertia can be adjusted relatively easily.
본 발명의 실시예에 따른 광 편향기를 구비한 디스플레이 장치나 프린터와 같은 광학기구는 광원과 상술한 광 편향기와 감광부재 및 화상 표시부재 중 하나를 포함할 수 있다. 광 편향기는 광원에서 나온 광을 편향시켜서 감광부재나 화상 표시부재 상으로 편향된 광의 적어도 일부를 진행시킬 수 있다.An optical apparatus such as a display apparatus or a printer having an optical deflector according to an exemplary embodiment of the present invention may include a light source, the optical deflector, a photosensitive member, and an image display member. The light deflector may deflect light emitted from the light source to advance at least a portion of the light deflected onto the photosensitive member or the image display member.
이하, 본 발명을 특정 실시예들을 참조하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific embodiments.
[제1 실시예][First Embodiment]
이하, 본 발명의 제1 실시예를 설명한다. 본 실시예는 상술한 실시 형태들에 대응한다. 도1a 및 도1b는 제1 실시예에 따른 광 편향기의 구조를 도시한다. 도1a는 광 편향기의 평면도이고 도1b는 도1a의 A-B 선을 따라 취한 단면도이다. 광 편향기는 지지부재(101)와, 반사면(107)을 갖는 제1 가동소자(102)와, 제2 가동소자(120)와, 진동축(104)을 중심으로 지지부재(101), 제1 가동소자(102) 및 제2 가동소자(120)를 탄성 결합하기 위한 비틀림 스프링(105, 106)을 포함한다. 광 편 향기는 제1 및 제2 가동소자(102, 120)의 공진 구동을 생성하기 위해 제2 가동소자(120)에 토크를 인가하기 위한 구동부와 구동부를 제어하기 위한 구동 제어부를 추가로 포함할 수 있다. 구동부는 제2 가동소자(120)에 배치되는 자석(108)과 기판(110) 상에 장착되는 코일(110)을 포함한다.Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described. This example corresponds to the above-described embodiments. 1A and 1B show the structure of the optical deflector according to the first embodiment. FIG. 1A is a plan view of the optical deflector and FIG. 1B is a sectional view taken along the line A-B of FIG. 1A. The optical deflector includes a
제1 가동소자(102)는 진동축(104)에 수직한 방향으로 3 mm의 길이(121)를 갖고 진동축에 평행한 방향으로 1 mm의 크기를 갖는다. 제2 가동소자(120)는 진동축(104)에 수직한 방향으로 2.8 mm의 길이(122)를 갖고 진동축에 평행한 방향으로 1.5 mm의 크기를 갖는다. 지지부재(101)와 제1 및 제2 가동소자(102, 120)의 실리콘부(본체부)(103)와 비틀림 스프링(105, 106)은 반도체 제조 방법의 포토리소그래피 및 건식 에칭에 따라 단결정 실리콘 기판으로 일체형 구조로 제조된다. 따라서, 가공 정밀도가 아주 높고 크기가 아주 작은 광 편향기가 제조될 수 있다.The first
제1 가동소자(102)의 반사면(107)은 알루미늄으로 제조되며, 진공 증기 증착에 의해 형성된다. 물론, 반사면은 예컨대, 금이나 구리와 같은 임의의 다른 재료로 제조될 수 있다. 그 최상부면에는 보호막이 마련될 수 있다. 제2 가동소자(120)는 실리콘부(103)와 경질 자성체(108)와 구리 부재(질량 조절부재)(109)를 갖는다.The
본 실시예의 구동 원리를 설명한다. 경질 자성체(108)는 진동축(104)에 수직한 방향으로 분극(자화)되어 있다. 본 실시예의 광 편향기는 주파수(f1, f2)가 서로 다른 두 개의 비틀림 고유 진동모드를 갖는다. 구동 제어부와 구동부가 코 일(110)에 AC 전류를 인가함에 따라, 전자기력이 생성되어 경질 자성체(108)로 인가된다. 이에 따라, 두 개의 비틀림 고유 진동모드가 동시에 여기된다. 그 결과, 진동축(104)을 중심으로 한 제1 및 제2 가동소자(102, 120)의 비틀림 공진 구동이 지지부재(101)에 대해 비교적 큰 변위각으로 생성된다.The driving principle of this embodiment is explained. The hard
본 실시예에 따르는 광 편향기의 톱니파형 진동의 구동 원리를 설명한다. 비틀림 축(104)을 중심으로 한 비틀림 진동에 대해, 본 실시예의 광 편향기의 진동 시스템은 주파수(f1)의 1차 고유 진동모드와 기준 주파수의 대략 두 배인 주파수(f2)의 2차 고유 진동모드를 갖는다. 이런 진동 시스템은 비틀림 진동에 대해 "2"의 자유도를 갖는 진동 시스템으로 취급될 수 있다.The driving principle of the sawtooth vibration of the optical deflector according to the present embodiment will be described. About a torsional oscillation around the
한편, 고정 코일(110)은 기준 주파수(f0)(시스템의 응용 사양에 의해 결정된 목표 구동 주파수)와 기준 주파수의 대략 두 배인 주파수(2f0)에 기반한 합성 구동 신호에 따라 진동 시스템을 구동시킨다. 기준 주파수(f0)와 고유 진동모드 주파수(f1, f2)는 후술하는 관계를 가지며, 본 실시예의 광 편향기는 고유 진동모드의 큰 동배율(진폭 증폭율)에 기반하여 정현파 합성 구동을 낮은 소비 전력으로 수행한다.On the other hand, the fixed
특히, 고유 모드 주파수(f1)는 기준 주파수(f0)에 가깝게 설계된다. 여기에서, 1차 및 2차 고유 진동모드의 모드 감쇠비(고유 모드 주파수에서 동배율 주파수 특성 곡선의 피크의 날카로움을 나타내고 1/2Q와 대략 동일)가 각각 γ1과 γ2으로 표시되는 경우, 그 범위는 다음과 같이 표현된다.In particular, the natural mode frequency f 1 is designed to be close to the reference frequency f 0 . Here, when the mode attenuation ratios (representing the sharpness of the peaks of the same magnification frequency characteristic curve at the intrinsic mode frequencies and approximately equal to 1 / 2Q) are expressed as γ1 and γ2, respectively, the range is It is expressed as follows.
[수학식 2][Equation 2]
또한, 본 명세서에서, 주파수(f1, f2)의 주파수 비율에 관련된 이조도 Δ는 다음과 같이 정의되며 "대략 정수곱"에 해당하는 범위가 결정된다. 이조도 Δ는, 진동 시스템의 주파수(f1, f2)는 "N배" 관계에 있는 것을 지표로 하여 Δ = N(f1/f2)로 정의된다. 예컨대, 본 명세서에서, "대략 두 배"라 함은 아래의 수학식 3에 의해 표현되는 범위를 말한다.In addition, in the present specification, the dichotometry Δ related to the frequency ratio of the frequencies f 1 and f 2 is defined as follows and a range corresponding to " approximately integer product " The illuminance degree Δ is defined as Δ = N (f 1 / f 2 ) with the index that the frequencies f 1 and f 2 of the vibration system are in the “N times” relationship. For example, in this specification, "about twice" refers to the range represented by
[수학식 3]&Quot; (3) "
또한, 본 실시예에서 주파수비는 다음 범위에 있다.In addition, in this embodiment, the frequency ratio is in the following range.
[수학식 4]&Quot; (4) "
본 실시예의 진동 시스템에서, γ1은 대략 0.001이고 γ2는 대략 0.00025이다. 본 실시예에서, f0과 2f0의 진동이 고정 코일(110)에 의해 두 개의 고유 진동모드의 피크 근처에서 여기되며 진동 시스템은 이에 기반하여 구동된다. 특히, 수학식 2에 의해 한정된 범위에서, 정현파 합성 구동을 위한 소비전력의 주 성분인 주파수(f0)의 진동과 관련하여, 1차 고유 진동모드의 동배율(진폭 증폭율)이 큰 범위가 이용될 수 있다. 따라서, 광 편향기의 소비전력은 낮아진다.In the vibration system of this embodiment, γ 1 is approximately 0.001 and γ 2 is approximately 0.00025. In this embodiment, vibrations of f 0 and 2f 0 are excited by the fixed
이하, 구동 방법을 상세히 설명한다. 도2는 가로축을 시간(t)으로 한 그래프로서 주파수(f0)의 비틀림 진동 동안의 제1 진동자(102)의 변위각을 설명한다(본 명세서에서, 가동소자의 왕복 진동과 광 편향기에 의해 편향 주사된 광의 변위각은 상수만이 서로 다르기 때문에, 이들은 등가적으로 취급된다). 특히, 도2는 제1 가동소자(102)의 비틀림 진동의 일 주기(T0)에 대응하는 부분을 도시한다(-T0/2 < X < T0/2).Hereinafter, the driving method will be described in detail. FIG. 2 illustrates the displacement angle of the
곡선 61은 고정 코일(110)을 통전하는 구동 신호의 기준 주파수(f0)의 성분을 나타낸다. 이는 최대 진폭 범위(±φ1)에서 왕복 진동하고 시간이 t이고 각 주파수가 w0 = 2πf0인 아래의 수학식 5에 의해 표현되는 정현 진동이다.
[수학식 5][Equation 5]
한편, 곡선 62는 기준 주파수(f0)의 두 배인 주파수 성분을 나타내며 이는 최대 진폭 범위(±φ2)에서 진동하고 아래의 수학식 6에 의해 표현되는 정현 진동이다.
[수학식 6]&Quot; (6) "
곡선 63은 상술한 구동의 결과로서 생성된 제1 가동소자(102)의 비틀림 진동의 변위각을 나타낸다. 비틀림 축(104)을 중심으로 한 비틀림 진동에 대해, 광 편향기는 상술한 바와 같이 기준 주파수(f0)와 기준 주파수의 두 배인 주파수(2f0) 근처에서 조절되는 주파수(f1)의 고유 진동모드와 주파수(f2)의 2차 고유 진동모드를 갖는다. 따라서, θ1에 대응하는 구동 신호에 의해 여기되는 공진과 θ2에 대응하는 구동 신호에 의해 여기되는 공진이 모두 광 편향기에서 발생한다. 즉, 곡선 63에서 제1 가동소자(102)의 변위각은 이들 두 개의 정현 진동의 중첩에 의한 진동에 따르며, 다시 말해 아래의 수학식 7에 의해 표현되는 톱니파형 진동이 생성된다.
[수학식 7][Equation 7]
도3은 도2의 곡선 61 및 63과 직선 64를 미분함으로써 얻어지는 곡선 61a 및 63a과 직선 64a를 도시하며 이들 곡선의 각속도를 설명한다. 기준 주파수(f0)의 정현 진동의 각속도를 도시하는 곡선 61a에 비해, 제1 가동소자(102)의 톱니파형 왕복 진동의 각속도를 도시하는 곡선 63a는, 구간 N-N'에서 각속도가 각각 최대값에서의 각속도 V1 및 최소값에서의 각속도 V2에 대응하는 상한 및 하한을 갖는 범위 내에서 유지된다. 따라서, 광 편향기를 이용하는 광 편향 주사에 기반한 용도에 서, V1과 V2는 일정한 각속도 주사에 대응하는 직선 64a로부터 각속도의 가용 오차 범위 내에 존재하며, 구간 N-N'는 사실항 일정한 각속도 주사 영역으로 간주될 수 있다.FIG. 3 shows
상술한 바와 같이, 정현파를 따르는 변위각에 기반한 진동에 비해, 톱니파형 왕복 진동은 편향 주사의 각속도에 대해 각속도가 사실상 일정한 훨씬 더 넓은 영역을 제공한다. 따라서, 전체 편향 주사 영역에 대한 가용 영역의 비율은 현저히 확장된다. 또한, 톱니파형 구동은 규칙적인 주사선 간격을 보장하고 이는 예컨대, 프린터 용도에 특히 유익하다.As mentioned above, compared to vibrations based on displacement angles along sinusoids, sawtooth reciprocating vibrations provide a much wider range of substantially constant angular velocities relative to the angular velocity of the deflection scan. Thus, the ratio of the available area to the total deflection scan area is significantly expanded. In addition, sawtooth driving ensures regular scan line spacing, which is particularly advantageous for printer applications, for example.
비록 상술한 내용은 고유 진동모드의 주파수(f1, f2)가 후자가 전자의 대략 두 배인 "두 배" 관계를 갖는 예를 참조하여 설명했지만, 후자가 전자의 대략 세 배인 "세 배" 관계도 설정될 수 있다. 이 경우, "두 배" 관계와 마찬가지로, 정현파의 중첩에 기반한 진동을 통해 톱니파형 진동이 된다. 이는 광의 왕복 주사를 이용할 수 있도록 하기 때문에, 소정 가용 주파수에서의 주사선의 수가 두 배로 될 수 있다.Although the foregoing has been described with reference to an example where the frequencies f 1 and f 2 of the natural vibration mode have a "twice" relationship where the latter is approximately twice the former, the latter is "three times" approximately three times the former. Relationships can also be established. In this case, as in the "double" relationship, the sawtooth vibration becomes a vibration based on the superposition of sinusoids. Since this makes it possible to use reciprocal scanning of light, the number of scan lines at a certain available frequency can be doubled.
본 실시예에서와 같은 구동이 수행되는 경우, 복수의 고유 진동모드를 소정 관계로 조절함과 더불어 변위각은 안정화되어야 한다. 이를 위해, 본 실시예의 광 편향기에서는, 진동축(104)에 대한 제2 가동소자(120)의 관성 모멘트(I2)를 진동축(104)에 대한 제1 가동소자(102)의 관성 모멘트(I1)보다 크게 한다. 이렇게 함으로써, 두 개의 고유 진동모드는 원하는 관계를 만족시키기 위해 용이하게 조절될 수 있다. 이는 본 발명의 실시 태양을 참조하여 상술한 바와 동일하다. 따라서, 두 개의 비틀림 고유 진동모드가 광 편향기의 제조시 야기되는 세밀도 등의 분산으로 인해 원하는 관계를 만족하지 않는 경우에도, 예컨대 관성 모멘트(I1, I2)를 조절함으로써, 이들 두 개의 비틀림 고유 진동모드를 원하는 주파수 관계로 조정될 수 있다.When driving as in the present embodiment is performed, the displacement angle must be stabilized while adjusting a plurality of natural vibration modes in a predetermined relationship. To this end, in this embodiment the light in the deflecting device, the second movable moment of inertia of the element (120), (I 2) to the moment of inertia of the first
또한, 관성 모멘트(I2)를 크게 함으로써, 고유 진동모드의 진폭 증폭율(공진 세밀도 Q값)은 향상된다. 이에 따라, 변위각의 안정성은 진폭 증폭율을 증가시켜 진동 에너지의 분산을 억제하도록 관성 모멘트를 증대시킴으로써 향상된다.In addition, by increasing the moment of inertia I 2 , the amplitude amplification factor (resonance fineness Q value) of the natural vibration mode is improved. Accordingly, the stability of the displacement angle is improved by increasing the moment of inertia so as to increase the amplitude amplification rate to suppress the dispersion of vibration energy.
본 실시예의 광 편향기에서는, 진동축(104)에 수직한 방향으로 제2 가동소자(120)의 길이(122)를 진동축(104)에 수직한 방향으로 제1 가동소자(102)의 길이(121)보다 크게 할 수 있다. 이렇게 함으로써, 제2 가동소자(120)에 작용하는 공기 저항은 감소되고 변위각 안정성은 보다 향상된다.In the optical deflector of this embodiment, the
또한, 본 실시예의 광 편향기에서 제2 가동소자(120)에는 복수의 구성요소[실리콘부(103), 경질 자성체(108) 및 구리 부재(109)]가 마련되는 반면, 반사면(107)이 형성된 제1 가동소자(102)는 단일 구성요소에 의해 마련된다. 그 결과, 경질 자성체(108)와 구리 부재(109)가 실리콘부(103)에 부착될 때 제2 가동소자(120)가 변형되더라도, 이는 제1 가동소자(102)의 반사면(107)을 변형시키지 않는다. 따라서, 주사 광점의 저하가 방지된다.In addition, in the optical deflector of the present embodiment, the second
[제2 실시예]Second Embodiment
다음으로, 도4a와 도4b를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 편향기를 설명한다. 도4a는 본 실시예의 광 편향기의 평면도이고 도4b는 도4a의 A-B 선을 따라 취한 단면도이다. 제2 실시예의 광 편향기는 제1 실시예의 광 편향기와 대체로 유사한 구조를 갖지만, 본 실시예의 광 편향기는 두 개의 제2 가동소자(220a, 220b)와, 진동축(204)을 중심으로 반사면(107)이 형성된 제1 가동소자(202)와 제2 가동소자(220a, 220b)를 탄성 연결하기 위한 비틀림 스프링(205a, 205b, 206a, 206b)을 포함한다. 제2 가동소자(220a, 220b)는 각각 실리콘부(203a, 203b)와 막형 영구자석(208a, 208b)을 갖는다.Next, an optical deflector according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4A and 4B. Fig. 4A is a plan view of the optical deflector of this embodiment and Fig. 4B is a sectional view taken along the line A-B in Fig. 4A. The optical deflector of the second embodiment has a structure substantially similar to that of the first embodiment, but the optical deflector of the present embodiment has two
본 실시예의 광 편향기는 제2 가동소자(220a, 220b)는 그 두께가 제1 가동소자(202)보다 두터운 것을 특징으로 한다. 또한, 제2 가동소자(220a, 220b)의 실리콘부(203a, 203b)는 제1 가동소자(202)보다 두텁다. 제1 가동소자(220a, 220b)는 두께가 100 ㎛이고 제2 가동소자(203a, 203b)는 두께가 200 ㎛이다.The optical deflector of this embodiment is characterized in that the second
지지부재(201a, 201b), 제1 가동소자(202), 제2 가동소자(220a, 220b)의 실리콘부(203a, 203b) 및 비틀림 스프링(205a, 205b, 206a, 206b)은 모두 단결정 실리콘 기판으로 일체 구조로 제조된다. 따라서, 가공 정밀도가 아주 높고 소형인 광 편향기가 제조될 수 있다. 이들 소자들은 반도체 제조 방법의 포토리소그라피 및 건식 에칭에 의해 형성될 수 있다. 막형 영구자석(208a, 208b)은 예컨대, SmCo(코발트 사마리움)와 같은 희토류계 영구자석을 포함하며 스퍼터링 등에 의해 형성된다.The
본 실시예의 광 편향기에서, 제2 가동소자(220a, 220b)의 실리콘부(203a, 203b)는 그 두께가 제1 가동소자(202)의 두께보다 크다. 이런 구조는, 관성 모멘트가 큰 금속부재 등과 같은 것을 제2 가동소자(220a, 220b)에 부착하지 않고도 제2 가동소자(220a, 220b)의 관성 모멘트를 제1 가동소자(202)보다 크게 할 수 있도록 보장한다. 이로써, 비틀림 고유 진동주파수는 원하는 관계를 만족시키도록 용이하게 조절될 수 있다.In the optical deflector of this embodiment, the thickness of the
또한, 도4a 및 도4b에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서도, 진동축(204)에 수직한 방향으로 제2 가동소자(220a, 220b)의 길이(222a, 222b)는 진동축(204)에 수직한 방향으로 제1 가동소자(202)의 길이(221)보다 짧게 된다. 그 결과, 공기 저항은 감소되고 변위각 안정성은 향상된다. 본 실시예의 구조에서 가동소자는 그 양단이 지지되기 때문에, 비틀림 진동 동안 비틀림 진동 이외의 불필요 진동이 보다 확실히 방지된다.4A and 4B, also in this embodiment, the
[제3 실시예]Third Embodiment
다음으로, 도5a와 도5b를 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 광 편향기를 설명한다. 도5a는 본 실시예의 광 편향기의 평면도이고 도5b는 도5a의 A-B 선을 따라 취한 단면도이다. 제3 실시예의 광 편향기는 제1 실시예의 광 편향기와 대체로 유사한 구조를 갖지만, 본 실시예의 광 편향기는 비틀림 스프링(306)을 거쳐 지지부재(301)에 탄성 연결된 제2 가동소자(320)가 실리콘부(303)와 경질 자성체(308a, 308b)를 갖는다는 점이 제1 실시예와 상이하다. 이들 경질 자성체(308a, 308b)는 본 실시예에서 Fe-Cr-Co 자석이다.Next, an optical deflector according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5A and 5B. Fig. 5A is a plan view of the optical deflector of this embodiment and Fig. 5B is a sectional view taken along the line A-B in Fig. 5A. The optical deflector of the third embodiment has a structure generally similar to that of the first embodiment, but the optical deflector of the present embodiment is formed by the second
본 실시예의 광 편향기의 제2 가동소자(320)에는 사이에 진동축(304)을 개재 하여 배치되는 308a 및 308b과 같은 복수의 경질 자성체가 설치된다. 경질 자성체(308a, 308b)는 비중이 큰 Fe-Cr-Co로 제조되기 때문에, 제2 가동소자(320)의 관성 모멘트를 비교적 쉽게 크게 할 수 있다.The second
또한, 본 실시예에서 경질 자성체(308a, 308b)는 상술한 바와 같은 위치에 배치되기 때문에, 제2 가동소자(320)의 무게중심 위치를 진동축(304)과 정렬하기가 용이하다. 따라서, 비틀림 진동 동안 비틀림 진동 이외의 불필요 진동이 보다 확실히 방지된다.In addition, in the present embodiment, since the hard
경질 자성체가 제2 가동소자(320)의 관성 모멘트를 증대시키기 위한 부재(308a, 308b)에 이용되기 때문에, 광 편향기를 구동하기 위해 코일에 인가될 필요 전류는 낮아진다. 따라서, 낮은 소비전력으로 작동 가능한 광 편향기가 달성된다.Since the hard magnetic material is used for the
또한, 진동축(304)에 수직한 방향으로 제2 가동소자(320)의 길이(322)는 비틀림 스프링(305)을 거쳐 제2 가동소자(320)에 연결된 제1 가동소자(302)의 진동축(304)에 수직한 방향의 길이(321)보다 짧게 된다. 그 결과, 공기 저항은 감소되고 변위각 안정성은 향상된다.In addition, the
또한, 광 편향기는 진동축(304)에 수직한 평면이 한정될 때, 제1 및 제2 가동소자(302, 320) 중 적어도 하나가 복수의 위치에서 그 평면과 교차하는 형상을 갖는 구조를 가질 수 있다. 일 예로, 도5a의 얇은 파선으로 도시된 바와 같이, 가동소자의 외주연부에 여러 돌기가 마련되는 경우이다. 다른 예는 가동소자에 진동축(304)에서 멀어질수록 진동축(304)에 평행한 방향으로 길게 연장되는 스핀들 형 상이 형성되는 경우이다. 이들 구조에서 진동축(304)을 중심으로 한 관성 모멘트를 용이하게 크게 할 수 있다. 가동소자의 질량을 조절하기 위해, 외주연부의 돌기는 제거될 수 있으며, 이로써 효율적인 질량 조절이 가능하게 된다. 본 방법은 다른 실시예에서 이용될 수 있다.In addition, the optical deflector may have a structure in which at least one of the first and second
[제4 실시예][Example 4]
다음으로, 도6a와 도6b를 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 광 편향기를 설명한다. 도6a는 본 실시예의 광 편향기의 평면도이고 도6b는 도6a의 A-B 선을 따라 취한 단면도이다. 제4 실시예의 광 편향기는 제1 실시예의 광 편향기와 대체로 유사한 구조를 갖지만, 본 실시예의 광 편향기는 비틀림 스프링(406)을 거쳐 지지부재(401)에 탄성 연결된 제2 가동소자(420)가 실리콘부(403)와 Fe-Cr-Co 자석으로 구성된 경질 자성체(408a, 408b)를 갖는다는 점이 제1 실시예와 상이하다.Next, an optical deflector according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6A and 6B. Fig. 6A is a plan view of the optical deflector of this embodiment and Fig. 6B is a sectional view taken along the line A-B in Fig. 6A. The optical deflector of the fourth embodiment has a structure generally similar to that of the first embodiment, but the optical deflector of the present embodiment is connected to the
따라서, 본 실시예에서도, 비틀림 스프링(406)을 거쳐 제1 가동소자(402)에 탄성 연결된 제2 가동소자(420)의 관성 모멘트를 용이하게 크게 할 수 있다. 또한, 본 실시예에서도, 복수의 경질 자성체(408a, 408b)가 진동축(404)을 개재하여 배치되기 때문에, 제2 가동소자(420)의 무게중심은 진동축과 용이하게 정렬될 수 있다. 따라서, 비틀림 진동 동안 비틀림 진동 이외의 불필요 진동이 방지된다. 또한, 광 편향기를 구동하기 위해 코일에 인가될 필요 전류가 낮아지기 때문에, 낮은 소비전력으로 작동 가능한 광 편향기가 달성된다.Therefore, also in this embodiment, the moment of inertia of the second
본 실시예는 다음 두 가지 점에 있어 제1 실시예와 다르다. 즉, 진동 축(404)에 수직한 방향으로 제2 가동소자(420)의 길이(422)는 진동축(404)에 수직한 방향으로 제1 가동소자(402)의 길이(421)보다 짧게 되며, 진동축(404)에 평행한 방향으로 제2 가동소자(420)의 길이(422)는 진동축(404)에 평행한 방향으로 제1 가동소자(402)의 길이(423)보다 짧게 된다. 그 결과, 공기 저항은 감소되고 변위각 안정성은 향상된다.This embodiment differs from the first embodiment in the following two points. That is, the
[제5 실시예][Fifth Embodiment]
도7은 본 발명에 따르는 광 편향기가 합체된 광학기구의 실시예를 도시하는 개략 사시도이다. 본 예에서는 화상 형성 장치가 광학기구로서 도시되어 있다. 도7에서, 503은 본 발명에 따르는 광 편향기를 지시하며 광 편향기는 입사하는 광을 1차원적으로 주사하는 기능을 한다. 501은 레이저 광원을 지시하고 502는 렌즈 또는 렌즈 그룹을 지시한다. 504는 기록 렌즈 또는 렌즈 그룹을 지시하고 505는 드럼형 감광부재를 지시한다. 506은 주사 궤적을 지시한다.Fig. 7 is a schematic perspective view showing an embodiment of an optical apparatus incorporating an optical deflector according to the present invention. In this example, the image forming apparatus is shown as an optical mechanism. In Fig. 7, 503 indicates an optical deflector according to the present invention and the optical deflector functions to scan incident light in one dimension. 501 indicates a laser light source and 502 indicates a lens or lens group. 504 designates a recording lens or lens group and 505 designates a drum-type photosensitive member. 506 indicates a scan trajectory.
레이저 광원(501)에서 방출된 레이저 빔은 광의 편향 주사 타이밍에 관련된 소정의 강도 변조를 받는다. 강도 변조된 광은 렌즈 또는 렌즈 그룹(502)을 통해 진행하며 광 주사 시스템(광 편향기)(503)에 의해 1차원적으로 주사 편향된다. 주사 편향된 레이저 빔은 감광부재(505) 상의 기록 렌즈 또는 렌즈 그룹(504)에 의해 집속되어 감광부재에 화상을 형성한다.The laser beam emitted from the
감광부재(505)는 회전축을 중심으로 주사 방향에 수직한 방향으로 회전하며 도시 안된 대전 장치에 의해 균일하게 대전된다. 광을 이용하여 감광부재 표면을 주사함으로써, 주사된 표면 부분에는 정전 잠상이 형성된다. 그 후, 도시 안된 현 상 장치를 이용함으로써, 토너 화상이 정전 잠상에 따라 생성되고 도시 안된 전사 용지로 전사되어 정착됨으로써, 화상이 용지에 생성된다.The
본 발명의 광 편향기(503)를 이용함으로써, 광의 편향 주사의 각속도는 감광부재(505) 표면의 유효 영역 내에서 거의 균등하게 될 수 있다. 또한, 본 발명의 광 편향기(503)를 이용함으로써 화상 형성 장치는 안정적인 작업을 수행하고 선명한 화상을 생성할 수 있게 된다.By using the
비록 본 발명은 본 명세서에 개시된 구조를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 그 세부 사항으로 국한되지 않으며 본 출원은 개선 목적이나 아래의 특허청구범위에 속하는 변경이나 개조를 포괄한다.Although the present invention has been described with reference to the structures disclosed herein, the present invention is not limited to the details and the present application encompasses changes or modifications for improvement purposes or within the scope of the following claims.
본 발명에 따른 광 편향기는 복수의 고유 진동모드를 원하는 관계로 용이하게 조절할 수 있도록 하고 변위각이 비교적 큰 경우에도 그 변위각을 안정적으로 유지하는 효과를 제공한다. 또한, 이런 광 편향기를 이용하는 본 발명의 광학기구는 크지만 안정적이 변위각을 갖게 된다.The optical deflector according to the present invention makes it possible to easily adjust a plurality of natural vibration modes in a desired relationship and provides an effect of stably maintaining the displacement angle even when the displacement angle is relatively large. In addition, the optical apparatus of the present invention using such an optical deflector has a large but stable displacement angle.
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